基于AQWA的南海半潛式海洋平臺系泊系統(tǒng)破斷分析

朱曉洋 胡金鵬

摘 ? ?要：本文基于三維勢流理論，針對南海海域工作的某半潛式海洋平臺，運用水動力分析軟件AQWA進行頻域分析和時域分析，得到不同環(huán)境下海洋平臺的附加質(zhì)量、興波阻尼系數(shù)等水動力系數(shù)以及各自由度的幅值響應(yīng)傳遞函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，考慮風浪流對海洋平臺的聯(lián)合作用，以及系泊系統(tǒng)與海洋平臺之間的耦合作用，在時域內(nèi)研究了海洋平臺在南海百年一遇極端海況下的運動響應(yīng)及系泊纜繩的張力，分析系泊破斷時平臺運動響應(yīng)和纜繩張力的變化情況，分析結(jié)果可為南海海域半潛式海洋平臺的初步設(shè)計提供相應(yīng)的科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：半潛式海洋平臺;AQWA;耦合作用;極端海況;系泊破斷

中圖分類號：P731.22?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on the three-dimensional potential flow theory， this paper uses the hydrodynamic analysis software AQWA to perform frequency domain analysis and time domain analysis on a semi-submersible offshore platform working in the South China Sea. The additional mass and wave damping coefficient of the ocean platform in different environments are obtained. The hydrodynamic coefficients and the amplitude response transfer functions （RAOs） of the respective degrees. On this basis， considering the combined effect of wind and wave on the offshore platform， considering the coupling between the mooring system and the offshore platform， the motion response and mooring of the offshore platform in a once-in-a-century extreme sea condition of the south China sea are studied in the time domain. The changes of platform motion response and mooring line tension during mooring line breakage are considered and analyzed， which will provide a corresponding scientific basis for the preliminary design of the semi-submersible offshore platform in the South China Sea.

Key words： Semi-submersible offshore platform; AQWA; Coupling; Extreme sea conditions; Mooring Lines breaking

1 ? ?引言

隨著海洋油氣開采逐步向深水領(lǐng)域邁進，深水半潛式鉆井平臺在我國海域的應(yīng)用越來越廣泛。半潛式平臺的水下部分主要由立柱、浮箱和橫撐這類柱體結(jié)構(gòu)組成，其數(shù)值預報方法一般采用Morison理論和勢流理論。由于平臺在惡劣的環(huán)境載荷作用下會產(chǎn)生波頻搖蕩和低頻漂移運動，因此開展半潛平臺立柱結(jié)構(gòu)水動力特性的分析工作具有重要意義。許多學者針對水動力的各種特性對平臺結(jié)構(gòu)的影響做了大量研究。劉海霞[1]等對大型半潛式平臺的波浪載荷計算采取Morison公式和勢流理論相結(jié)合的方法，對于小尺寸結(jié)構(gòu)物采用Morison公式計算;李輝[2]等對深水半潛式平臺波浪載荷計算的確定性和隨機性設(shè)計波法進行了研究，并以兩艘不同形式的半潛式平臺作為實際算例進行了對比分析;王世圣[3]等利用三維水動力模型，對具有不同橫撐結(jié)構(gòu)形式的兩種典型深水半潛式鉆井平臺的波浪載荷進行了分析研究;宋安科[4]對第五半潛式平臺進行了水動力分析，得到了水動力時間歷程響應(yīng)曲線;吳瀾等[5]針對深水半潛式平臺建立了三維水動力模型，使用 AQWA 軟件進行數(shù)值模擬，研究了水動力系數(shù)變化特征并進行了運動響應(yīng)預報。

AQWA是計算三維流體動力學的重要工具，廣泛應(yīng)用于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力學性能評估及分析。本文使用AQWA計算半潛式海洋平臺的水動力特性、平臺運動響應(yīng)及系泊系統(tǒng)與平臺之間的耦合作用，通過比較不同海況下的計算數(shù)值得出結(jié)論，最后進一步考慮系泊纜繩斷裂時的特殊情況。本文的計算方法及計算結(jié)果，將為半潛式海洋平臺的初步設(shè)計提供重要的參考作用。

2 ? ?數(shù)值模型建立

2.1 ?平臺的主要參數(shù)

研究對象是南海某半潛式海洋平臺，作業(yè)水深1000 m。平臺的主要構(gòu)件為：4根立柱、2個平行浮體以及2個橫撐浮子。平臺的長、寬、高為：l×b×h=98 m×75 m×40 m;吃水深度d=23.5 m;質(zhì)量m=5.6×107 kg;轉(zhuǎn)動慣量為Ixx=9.1×1016 kg·mm2、Iyy=6.2×1016 kg·mm2 、Izz=1.3×1017 kg·mm2。

2.2 ? 網(wǎng)格劃分

利用AWQA進行自動劃分網(wǎng)格，定義網(wǎng)格單元最大尺寸為3 m、變形公差為1 m。選擇網(wǎng)格劃分形式為連接網(wǎng)格，得到四邊形網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3 ? 系泊系統(tǒng)設(shè)計

系泊纜為單一成分纜，具體參數(shù)如下：單位長度纜繩重量185.4 kg/m;等效界面面積1.33×10-2 m2;軸向剛度7.25×107 N;破斷力6.08×106 N;拖曳力直徑9.2×10-2 m;縱向阻力系數(shù)為0.025。

纜繩數(shù)目選為8根，纜繩成對稱分布，纜繩夾角α=46.8°。其中，1、3、5、7號纜繩的張力傾角β=33.2°，2、4、6、8號纜繩的張力傾角γ=24.1°，具體纜繩布置和角度定義如圖2所示。

2.4 ? 模型建立

根據(jù)以上參數(shù)，在AWQA中建立平臺及系泊系統(tǒng)模型，如圖3所示。

2.5 ? 海洋環(huán)境條件

本文環(huán)境條件采用南海百年一遇的極端海況條件，見表1。

3 ? ?數(shù)值結(jié)果分析

3.1 ? 水動力分析

水動力分析主要計算平臺在規(guī)則波中的運動和受力響應(yīng)及相關(guān)水動力學參數(shù)，如附加質(zhì)量、附加阻尼、波浪力和幅值響應(yīng)傳遞函數(shù)（RAOs），為后續(xù)的時域耦合分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

附加質(zhì)量以mij表示，m11、m22和m33分別表示縱蕩、橫蕩和垂蕩三個平動運動模態(tài)的附加質(zhì)量，如圖4所示;平臺在規(guī)則波中縱蕩、橫蕩和垂蕩的運動響應(yīng)幅值，如圖5所示。

從圖4可以看出m22> m33> m11，這是因為平臺橫向浸濕面積大于垂向浸濕面積、垂向浸濕面積大于縱向浸濕面積，在規(guī)則波的作用下平臺發(fā)生強迫振動，受到橫蕩附加質(zhì)量最大、縱蕩附加質(zhì)量最小;在高頻和低頻處，附加質(zhì)量比較穩(wěn)定，在0.6～1.2 rad/s頻率之間，即在常見的波浪周期內(nèi)，附加質(zhì)量波動較大，并出現(xiàn)波峰和波谷（其值均在107量級）。

由圖5可知，平臺在高頻區(qū)域（ω>1.2 rad/s）運動響應(yīng)幅值的變化幅度較小，該頻率范圍內(nèi)的運動性能表現(xiàn)良好;平臺的垂蕩固有周期為20.9s（ω=0.3rad/s）;縱蕩和橫蕩的運動響應(yīng)變化趨勢一致，這是由平臺為對稱性結(jié)構(gòu)所致。

3.2 ? 時域耦合分析

當風、浪、流三者同向作用時，平臺的系泊系統(tǒng)將產(chǎn)生最大的臨界力。因此本文假設(shè)風、浪、流作用在同一方向上，再分別以與x軸正方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°這七個方向進行時域耦合分析，其中規(guī)定0°和90°的方向如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計的系泊系統(tǒng)參數(shù)，進行七個方向的時域耦合分析，模擬計算時間為10 800 s，得到平臺的運動響應(yīng)和系泊纜張力，進一步計算安全系數(shù)和偏移量。安全系數(shù)指系泊纜斷裂強度與所受最大張力之比。

根據(jù)計算結(jié)果：（1）在七個方向的環(huán)境力作用下，系泊纜繩的安全系數(shù)均大于1;當環(huán)境力方向為60°時，平臺的系泊纜張力最大，其原因是在60°環(huán)境力方向上，平臺的受風面積和受流面積都達到最大值，此時所受的環(huán)境載荷達到最大值4 791 kN;平臺的環(huán)境力主要是由NO.8系泊纜分擔，其強度尤為重要;（2）當環(huán)境力方向為0°時，平臺沿X方向的偏移量最大（達到8.480%），沿Y方向的偏移量為0;當環(huán)境力方向為90°時，平臺沿Y方向的偏移量最大（達到15.23%），沿X方向的偏移量為0，這兩種情況均符合實際。

3.3 ? 特殊情況下的時域耦合分析

平臺在工作中偶爾會因為某些特殊情況（如：海洋生物的破壞、極端載荷的沖擊等）造成某條系泊纜的斷裂。本文針對兩種系泊纜意外斷裂的特殊情況再次進行七個方向的時域耦合分析，得到平臺的運動響應(yīng)和系泊纜張力。

（1）NO.1系泊纜斷裂

假設(shè)NO.1系泊纜斷裂，進行七個方向的時域耦合分析。斷裂前后各系泊纜所受的最大張力變化情況，如圖6所示;平臺運動響應(yīng)變化情況，如圖7所示。

從圖6可以看出：即使NO.1系泊纜斷裂，其余系泊纜所受的最大張力均小于系泊纜的斷裂強度，安全系數(shù)均大于1;NO.1系泊纜斷裂后，NO.2和NO.3系泊纜最大張力變大，且隨著環(huán)境載荷與x軸正方向夾角的增大而增大;NO.4系泊纜最大張力略有減小，但當夾角大于78°時又略有增大;NO.5、NO.6和NO.7系泊纜最大張力減小，且減小幅度與夾角變化關(guān)系不大;NO.8系泊纜最大張力顯著增大，且隨著夾角的增大而增大。平臺的環(huán)境力依舊主要由8號系泊纜分擔，其最大張力達到5 723 kN，非常接近斷裂強度。

從圖7可以看出：NO.1系泊纜斷裂后，平臺沿x方向的運動響應(yīng)減小，沿y方向的運動響應(yīng)增大，且隨著夾角的增大，變化幅值也變大。

（2）NO.2號系泊纜斷裂

假設(shè)NO.2號系泊纜斷裂，進行七個方向的時域耦合分析.斷裂前后各系泊纜所受的最大張力變化情況，如圖8所示;平臺運動響應(yīng)變化情況，如圖9所示。

從圖8可以看出：當NO.2系泊纜斷裂時，其余系泊纜所受的最大張力仍小于系泊纜的斷裂強度，安全系數(shù)均大于1;NO.2系泊纜斷裂后，NO.1號、NO.3和NO.4系泊纜最大張力變大，且隨著環(huán)境載荷與x軸正方向夾角的增大而增大;NO.5系泊纜最大張力略有減小，減小幅度與夾角無關(guān);NO.6、NO.7和NO.8系泊纜最大張力減小，且減小幅度與夾角變化關(guān)系不大。平臺的環(huán)境力依舊主要是由NO.1和NO.8系泊纜分擔，NO.1最大張力達到5 064 kN，接近系泊纜斷裂強度。

從圖9可以看出：NO.2系泊纜斷裂后，平臺沿x方向的運動響應(yīng)減小，且隨著夾角的增大，變化的幅值也變大;沿y方向的運動響應(yīng)增大，變化的幅值較小。

4 ? ?結(jié)論

本文采用基于勢流理論和時域耦合動力方法的AWQA軟件，對某半潛式海洋平臺在規(guī)則波中進行水動力學分析，然后進行時域耦合分析，計算平臺在南海百年一遇的極端海況下的運動響應(yīng)和系泊纜張力響應(yīng)，并考慮當系泊纜斷裂后的響應(yīng)變化情況，得到以下結(jié)論。

（1）半潛式平臺在高頻區(qū)域（ω>1.2 rad/s）運動性能表現(xiàn)良好，響應(yīng)幅值很小。縱蕩和橫蕩的運動響應(yīng)變化趨勢一致，這是由平臺結(jié)構(gòu)對稱性所決定的。該方法可以初步預報半潛式平臺的運動性能，為平臺型線設(shè)計提供參考;

（2）當環(huán)境力方向在60°附近時，平臺的系泊纜張力和水平偏移最大，因而在系泊方案設(shè)計中需要引起重視;

（3）在七個不同方向的環(huán)境力的作用下，NO.8系泊纜所受張力一直是最大的，因此在系泊方案設(shè)計中要著重考慮其強度;

（4）當NO.1或者NO.2系泊纜斷裂后，其余各系泊纜的安全系數(shù)依然大于1，平臺能維持在正常狀態(tài)，但是其余系泊纜的張力和平臺運動響應(yīng)會發(fā)生顯著變化，在設(shè)計時需要考慮此種特殊情況。

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